整體鍛焊式氨合成塔設(shè)備類(lèi)型的選擇及論證

1、整體鍛焊式氨合成塔設(shè)備類(lèi)型的選擇及論證1.1 氨合成塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求氨合成塔是合成氨廠的心臟，作用是使氫氮混合氣在塔內(nèi)催 化劑層中合成為氨。由于氨合成反應(yīng)在高溫高壓下進(jìn)行，因此合 成塔不僅應(yīng)有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且應(yīng)有在高溫下抗蠕變和松弛 的能力。同時(shí)在高溫高壓下，氫、氮對(duì)碳鋼有明顯的腐蝕作用。在合成塔操作介質(zhì)中，氫、氮、氨是主要成份，氨也會(huì)分解 為原子氫和氮。高溫高壓下氫活性很高，對(duì)鋼材有劇烈的腐蝕作 用，稱(chēng)為“氫蝕” 。氫對(duì)鋼材的腐蝕有兩種形式：一是和鋼材表面 碳化合引起表面脫碳， 使其機(jī)械性能惡化， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為 “氫脆”； 二是滲透到鋼材內(nèi)部和碳化合生成甲烷，甲烷積聚于金屬晶格邊

2、界的邊孔中，在鋼材內(nèi)部造成裂紋，這種現(xiàn)象“氫腐蝕” 。無(wú)論是 分子狀態(tài)或原子狀態(tài)的氫，與碳都能起反應(yīng)。高溫高壓下， 氮與鋼材中的鐵及其它合金元素也能化合生成 硬而脆的氮化物， 使鋼材失去塑性和韌性而變脆， 這稱(chēng)為“氮脆”。為了適應(yīng)氨合成的反應(yīng)條件，合理解決存在的矛盾，氨合成塔第 3 章 設(shè)備類(lèi)型的選擇及論證通常由內(nèi)件與外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之中。進(jìn)入合成塔 的氣體（溫度較低）先經(jīng)過(guò)內(nèi)件與外筒之間的環(huán)隙，內(nèi)件的外面 設(shè)有保溫層，以減少向外筒散熱。因而，外筒主要承受高壓（操 作壓力與大氣壓力之差） ，但不承受高溫，可用普通合金鋼或優(yōu)質(zhì) 低碳鋼制成。內(nèi)件在500C左右高溫下操作， 但只承受環(huán)隙

3、氣流與 內(nèi)件氣流的壓差，一般僅為12MPa，即內(nèi)件只承受高溫不承受高 壓，從而可降低對(duì)內(nèi)件材料和強(qiáng)度的要求。內(nèi)件一般用合金鋼制 作，塔徑較小的內(nèi)件也可用純鐵制作。內(nèi)件使用壽命比外筒短得 多。內(nèi)件由觸媒筐、換熱器和電加熱器等三個(gè)主要部分構(gòu)成，大 型氨合成塔的內(nèi)件一般不設(shè)電加熱器，而由塔外加熱爐供熱還原 觸媒。外筒主要包括筒體、上下端部法蘭、封頭、電加熱器端蓋、 接管及密封件等等。在氨合成塔設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般應(yīng)考慮下列問(wèn)題：1 容積利用率高。充分利用高壓容器空間，多裝觸媒，使單 位容積的生產(chǎn)能力盡可能的大。2觸媒生產(chǎn)強(qiáng)度大。合成塔的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)能保證觸媒層在最適宜的操作條件下工作，充分發(fā)揮觸媒的活性。

4、3塔的阻力小 4氨凈值高，減少分離氨及循環(huán)機(jī)的負(fù)荷。合成塔在最適宜條件下操作時(shí)氨凈值高，出口氨含量高，可以在較高的溫度下分離氮，因此可以在很大程度上節(jié)省冷卻設(shè)備。同時(shí)氨凈值高，也降低了系統(tǒng)的循環(huán)氣量，相應(yīng)地降低了能量消耗定額。5氣體分布均勻，處理氣量大。在具有高的單塔生產(chǎn)能力的同時(shí)，也使整個(gè)系統(tǒng)在正常負(fù)荷下操作。6熱能綜合利用好。不是消極地在合成塔后冷卻器中除去反應(yīng)熱，而是積極地利用反應(yīng)熱，補(bǔ)充氨生產(chǎn)和氨加工系統(tǒng)所需要 的能源，以降低總的能源消耗。7操作方便，調(diào)節(jié)靈活，并盡量減少同平面溫差或同圓柱面 溫差，充分發(fā)揮觸媒的活性。8使用壽命長(zhǎng)。一般要求氨合成塔外簡(jiǎn)使用壽命2030 年，內(nèi)件使用壽命

5、 6l0 年。9結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠。10制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、檢修方便。11金屬材料用量少，備料方便。第 3 章 設(shè)備類(lèi)型的選擇及論證對(duì)于1000毫米以下的氨合成塔，應(yīng)進(jìn)一步提高氨生產(chǎn)能力， 降低阻力，多產(chǎn)氨，并能副產(chǎn)0.81.3MPa蒸汽。對(duì)于必 0600毫米03200毫米以上的氨合成塔， 應(yīng)著重考慮設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠 性、阻力損失小、氣體分布均勻，以及制造、運(yùn)輸、安裝的條件1 .2外筒結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證氨合成塔選用圓柱形容器，圓柱形容器是最常見(jiàn)的一種壓力 容器結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，便于在內(nèi)部裝設(shè)附件 等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作反應(yīng)器、換熱器、分離器和中小容積儲(chǔ)存容 器。圓筒形容

6、器的容積主要由圓柱形筒體提供。圓筒可分為單層式和組合式兩大類(lèi)：1 單層式筒體。筒體的器壁在厚度方向是由一整體材料所構(gòu) 成，也就是器壁只有一層(為防止內(nèi)部介質(zhì)腐蝕，襯上的防腐層 不包括在內(nèi)) 。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。單層式筒體分為：a) 單層卷焊式：它采用鋼板在大型卷板機(jī)上卷成圓筒，經(jīng)焊接縱焊縫成為筒節(jié)，然后與封頭或端部法蘭組裝焊接成容器。b) 整體鍛造式：這種筒體是高壓容器中最早使用的筒體型式，制造時(shí)筒體與法蘭 可整鍛為一體或用螺紋連接，整個(gè)筒身沒(méi)有焊縫。c) 整體鍛焊式：它是在整體鍛造式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，分段鍛造筒體，然后焊接拼合成整體的鍛焊式筒體。d) 半片筒節(jié)沖壓拼焊式：它是先將鋼板加熱后

7、在大型水壓機(jī) 上壓成圓柱形殼片，然后用 23 塊殼片拼焊成為一個(gè)成筒節(jié)。2組合式筒體。筒體的器壁在厚度方向是又兩層或兩層以上 互不連續(xù)的材料構(gòu)成?？煞譃槎鄬影?、熱套式、繞板式、整 體多層包扎式、繞帶式?？紤]氨合成塔是在高溫、高壓下工作的，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要 求，選擇整體鍛焊式筒體作為氨合成塔的外筒筒體。1.3 密封結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證1.1.1 高壓容器的密封機(jī)理及結(jié)構(gòu)分類(lèi)由于壓力高，高壓密封裝置的重量約占容器總重的 1030%，而成本則占總成本的 1540% ，其設(shè)計(jì)是整個(gè)高壓容器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。高壓容器能否連續(xù)正常操作，很大程度上取決于 密封結(jié)構(gòu)的完善程度。第 3 章 設(shè)備類(lèi)型的

8、選擇及論證流體在密封口泄漏有兩條途徑，一是“滲透泄漏” ，即通過(guò)墊 片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、 分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì) 有關(guān)，可通過(guò)對(duì)滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，或與 不透性材料組合成型來(lái)避免“滲透泄漏” ；二是“界面泄漏” ，即 沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸 有關(guān)。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面。加工時(shí)壓緊面 上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。 “界面泄漏”是密封失效的主要途徑。防止流體泄漏的基本方法是在密封口增加流體流動(dòng)的阻力， 當(dāng)介質(zhì)通過(guò)密封口的阻力大于密封

9、口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，介質(zhì) 就被密封。而介質(zhì)通過(guò)密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓 力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質(zhì)通過(guò)密 封口的阻力越大，越有利于密封。在選用和設(shè)計(jì)高壓密封時(shí)，有下列基本要求： 1在正常操作和壓力，溫度波動(dòng)的情況下都能保證容器的密 封性；屈芥1平墊密封結(jié)購(gòu)一主臬!垮* 2-璽i平蓋，56平聯(lián)片2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便于制造、安裝和檢修，同時(shí)占用的高壓空間應(yīng)盡量??；3. 緊固件尺寸應(yīng)簡(jiǎn)單輕巧， 以減少鍛件的重量和尺寸；4. 密封元件的材料能抗介質(zhì)腐蝕，并能多次重復(fù)使用高壓容器密封結(jié)構(gòu)可分為下列三大類(lèi): 1 .強(qiáng)制式密封：如平墊密封、卡扎里密封；2. 半自緊式

10、密封：如雙錐密封；3. 自緊式密封：如伍德密封、“ C”形環(huán)密封、金屬“ 0”形環(huán)密封、三角墊密封、八角墊密封、“B”形環(huán)密封及楔形墊自緊 密封（）等氨合成塔密封結(jié)構(gòu)形式的選擇及論證1. 電加熱器端蓋與頂蓋間采用平墊密封金屬平墊密封屬于強(qiáng)制式密封，結(jié)構(gòu)形式如圖3-1所示。圓筒屈芥1平墊密封結(jié)購(gòu)一主臬!垮* 2-璽i平蓋，56平聯(lián)片200 C、內(nèi)徑不超過(guò)第3章設(shè)備類(lèi)型的選擇及論證端部與平蓋之間的密封依靠主螺栓的預(yù) 緊作用，使金屬平墊片產(chǎn)生一定的塑性 變形，填滿(mǎn)壓緊面的高低不平處，從而 達(dá)到密封目的。為了改善密封的性能，可在密封面上開(kāi)12條三角形截面溝槽，槽深、槽寬 尺寸各為1mm，兩溝中心相距為 5mm。這種密圭寸結(jié)構(gòu)一般只適用于溫度不超過(guò)1000mm的中小型高